波浪腹板工形构件抗剪承载力设计理论及试验研究

波形腹板工形构件主要有三种波形形式,即梯形、三角形与正弦波浪波形等。在总结前人对梯形腹板抗剪承载力研究成果的基础上,对波浪腹板工形构件的腹板抗剪性能进行系统研究。针对波浪腹板的屈曲特性提出弹性剪切屈曲荷载的计算公式,给出计算公式的适用范围。基于弹塑性大挠度有限元分析研究波浪腹板的弹塑性屈曲性能以及屈曲后行为,揭示其抗剪承载力极限状态以及缺陷敏感性,提出弹塑性屈曲荷载的实用计算公式,建立波浪腹板抗剪承载力设计方法。进行6个波浪腹板短梁试件的抗剪承载力试验,揭示波浪腹板的抗剪极限状态与初始屈曲及屈曲后性能之间的关系。试验结果与有限元结果吻合很好,推荐的设计公式合理。     

铝合金工字形截面的抗剪承载力研究

提出了考虑腹板屈曲后强度和翼缘约束效应的铝合金工字形截面的抗剪设计方法,并给出实用的建议设计公式。采用有限元方法模拟铝合金工字形截面的受力变形,并对已有工字形截面的抗剪承载力计算理论进行分析。有限元方法得出的荷载-位移曲线反映出铝合金工字形截面腹板弹性剪切屈曲力相当低,而构件整体抗剪承载力却相对较高,传统钢构件的设计方法不能准确反映其实际抗剪能力。在此基础上指出对于铝合金材料制成的工字形截面,抗剪设计公式应准确、方便的计算腹板受剪屈曲后承载力和翼缘对截面抗剪承载力的贡献。经数据比对,建议设计公式的计算结果和Hamoodi M J、Burt C A和Evans H R的试验资料及现行的欧洲铝合金规范公式计算结果吻合,且公式计算简捷。     

工字梁的抗剪极限承载力

对工字梁腹板抗剪极限承载力的研究进行总结,对各种公式与文献中的试验结果进行对比,将拉力场理论和转向应力场理论的假定与ANSYS分析揭示的腹板应力发展变化规律进行对比,指出了假定和数值分析结果的不一致。提出了翼缘对腹板转动约束的合理参数,得到精度良好的考虑翼缘约束的腹板剪切屈曲系数。利用得到的屈曲系数,考虑翼缘抗弯承载力的贡献,提出新的工字梁抗剪极限承载力的计算公式。与现有试验数据和ANSYS非线性有限元分析结果的对比,证实建议方法离散性较小,适用范围广,尤其是对于通用高厚比较大的梁,较以往方法有了较大改进。     

单面角焊缝连接的H形钢构件抗剪极限承载力

报告了 1 2个试件的抗剪极限承载力试验。试验结果表明 ,在单调静力荷载条件下 ,单面连接角焊缝有良好的承载和变形性能 ,对H形截面钢构件腹板剪切失稳后的极限承载力的不利影响很小 ,可以按照钢结构设计规范有关规定计算腹板抗剪极限承载力。     

往复剪切荷载作用下双波形薄钢板的弹塑性 屈曲行为

为研究双波形薄钢板在达到或接近钢材屈服时的弹塑性屈曲行为,完成了4个不同螺栓间距的双波形薄钢板试件和1个单片波形薄钢板试件在往复剪切荷载作用下的拟静力试验。结果表明:设计合理的双波形薄钢板能够先达到全截面屈服抗剪承载力,然后在往复剪切荷载作用下交替发生弹塑性局部剪切屈曲,形成X形屈曲褶皱及撕裂裂缝而破坏; 双波形薄钢板的极限抗剪承载力大于单片波形薄钢板的2倍,最大提高约18%; 双波形薄钢板的滞回曲线表现出一定的“捏拢”现象,在其抗剪承载力达到峰值之后,随着滞回圈数的增加其抗剪承载力和卸载刚度退化明显,但其等效黏滞阻尼系数无显著下降; 双波形薄钢板在剪切荷载作用下可分为弹性、弹塑性局部屈曲以及承载力退化3个工作阶段,由于波形钢板的“手风琴”效应,双波形薄钢板基本不具备屈曲后抗剪承载力,其极限抗剪承载力状态即为弹塑性局部剪切屈曲状态。     

体外预应力混凝土简支梁抗剪承载力计算方法

将已进行的13根整体式和14根节段式(胶接缝和干接缝)体外预应力混凝土简支模型梁剪切性能模型试验成果,作为建立抗剪承载力简化计算方法的基础资料。根据模型梁剪切性能试验的研究结果,以施工方法(整体式和节段式)、剪跨比、配箍率、接缝类型、体内外预应力筋配比等为参数建立斜截面抗剪承载力的回归计算公式,基于混凝土双轴强度理论和接缝截面极限平衡条件推导接缝截面抗剪承载力计算公式,利用试验数据对计算公式进行验证。按照我国公路桥梁设计可靠度水平和现行规范的要求对计算公式进行修正,提出可用于体外预应力混凝土梁截面抗剪承载力设计的简化计算方法。研究表明,简化计算方法能有效反映体外预应力混凝土梁剪切破坏特点和各主要因素对抗剪承载力的影响规律。     

部分混凝土外包波形钢腹板组合工字梁的抗剪性能试验研究

针对提高负弯矩作用下连续梁的结构特性提出了一种新型的部分混凝土外包波形钢腹板组合工字梁。对这种混凝土外包组合工字梁在对抗荷载下的抗剪性能进行试验分析研究。试验结果显示与普通的工字梁相比,混凝土外包组合工字梁的剪切屈曲因受外包混凝土的限制而有了更好的抗剪强度。由于组合截面的抗剪刚度是基于波形钢腹板和破裂前外包混凝土平均厚度的总和,且其抗剪强度决定了由钢腹板和外包混凝土共享的抗剪强度比。此外,根据试验中的破坏模式和应变分布,提出部分混凝土外包波形钢腹板组合工字梁的预估抗剪强度。试验结果验证了之前分析得出的弹性阶段的抗剪刚度和抗剪比。且之前计算得出的钢腹板与组合梁的抗剪强度也与试验结果一致。通过对比可知文中提到的分析方法可以应用到部分混凝土外包波形钢腹板组合工字梁结构的抗剪刚度预估和抗剪强度设计中去。     

波形钢腹板钢管混凝土梁受弯试验研究

提出了一种新型的组合结构--波形钢腹板钢管混凝土梁,进行了3根模型梁的受弯试验。对试验梁的变形、应变、破坏模式和极限承载力等进行了分析,比较了上下弦管填充混凝土对梁受力性能的作用,并与钢管混凝土桁梁的试验结果进行了对比。结果表明,与钢管混凝土桁梁相比,波形钢腹板钢管混凝土梁避免了节点破坏问题,其抗弯刚度和极限承载力得到较大的提高;上弦钢管填充混凝土对提高极限承载力作用很大,下弦钢管填充混凝土也能提高梁的极限承载力,但作用小于上弦管;"拟平截面假定"的计算方法可以用于波形钢腹板钢管混凝土梁的极限承载力计算。     

部分包覆钢-混凝土组合梁的滞回性能试验研究

进行了2个截面高度不同的部分包覆钢-混凝土组合梁(简称PEC梁)的往复弯剪加载试验，并结合前人试验数据，对PEC梁的滞回性能进行研究。研究结果表明：在低周弯剪往复荷载作用下，PEC梁的破坏模式为端部截面钢翼缘弹塑性屈曲后拉断、钢腹板拉断并伴随着混凝土压溃；PEC梁的抗弯承载力试验值比标准T/CECS 719—2020推荐的全截面塑性方法计算得到的理论值大了10%～30%,PEC梁的实测抗剪承载力明显高于当前理论计算值；混凝土和连杆对主钢件翼缘和腹板的屈曲抑制效果好，在钢翼缘宽厚比和连杆间距明显超过T/CECS 719—2020限定范围的情况下，主钢件依然达到全截面塑性，钢材强度得到充分利用；试验的2个试件的滞回曲线饱满，延性系数为4～6.8,且截面高度大的试件的延性系数更大，2个试件在屈服后各次循环的平均耗能系数均为2.2左右，表明PEC梁抗震性能较好。     

不锈钢薄腹梁受剪性能试验研究

通过对7根不锈钢薄腹梁进行受剪性能试验研究,分析了梁腹板的剪切屈曲和屈曲后强度。结果表明：所有梁均发生剪切屈曲破坏,薄腹板中形成拉力带,上翼缘和横向加劲肋中出现塑性铰;根据腹板表面应变和侧向鼓曲变形测得的剪切屈曲应力均低于理论计算的弹性剪切屈曲应力;梁的受剪承载力显著高于腹板剪切屈曲时的荷载,具有较高的屈曲后强度;梁端设置封头肋板可以提高梁的受剪承载力。基于得出的试验结果及现有其他试验数据,对两种考虑腹板屈曲后强度的受剪承载力计算方法进行评估,我国GB 50017—2017《钢结构设计标准》中的公式仅考虑了腹板的受剪承载力,其计算结果总体偏于保守,但是对腹板高厚比较小(λs<1.5)的不锈钢薄腹梁,受剪承载力计算偏于不安全,且计算结果离散性较大;EN 1993-1-4中的计算公式中同时考虑了腹板和翼缘的受剪承载力,其计算结果偏于保守且离散性较小。     

单箱三室波形钢腹板悬臂梁扭转与畸变分析及试验研究

为研究单箱三室波形钢腹板箱梁悬臂状态下的扭转与畸变性能,以乌曼斯基第二理论和箱梁理论为基础,考虑了波形钢腹板的褶皱效应对箱梁纵向刚度的影响,推导了单箱三室波形钢腹板悬臂梁扭转与畸变微分方程,并采用初参数法及弹性地基梁比拟法求解了约束扭转和畸变产生的翘曲正应力和剪应力计算式。通过1片单箱三室波形钢腹板双悬臂梁进行了偏载和对称加载试验,验证了扭转与畸变翘曲应力计算公式的正确性。最后,利用推导的理论模型,分析了梁高、箱室宽度及波形钢腹板厚度等参数对偏载作用下单箱三室波形钢腹板组合箱梁截面翘曲应力的影响。研究结果表明：提出的理论计算公式可用于准确计算单箱三室波形钢腹板悬臂梁扭转与畸变效应;悬臂梁翘曲正应力主要由畸变变形引起,而约束扭转主要产生翘曲剪应力,且悬臂梁扭转和畸变产生的翘曲正应力值和剪应力值与弯曲正应力和剪应力的比值较大,因此,单箱三室波形钢腹板悬臂状态下扭转和畸变产生的翘曲正应力和剪应力不可忽略;梁高和箱室宽度对单箱三室波形钢腹板的翘曲应力影响较为显著,波形钢腹板厚度对其几乎没影响。     

Shear strength of trapezoidal corrugated steel webs

Corrugated webs are used to increase the shear stability of the steel webs of beams and girders and to eliminate the need for transverse stiffeners. This paper focuses on the shear strength of corrugated steel webs with trapezoidal corrugations. Previously developed formulas for predicting the shear strength of steel trapezoidal corrugated webs, along with the corresponding theory, are summarized. A new formula is developed, which considers interaction among the various shear failure modes. More than 100 test results from previous research are organized and evaluated according to relevant test specimen parameters. The conditions of many of these tests are found to be inconsistent with the theoretical conditions assumed in deriving the shear strength formulas. The various formulas for predicting shear strength are then compared with selected test results. The new formula is shown to be more accurate than previous formulas for estimating the shear strength of corrugated steel webs.     

Shear strength of trapezoidal corrugated steel webs

Shear strength of trapezoidal corrugated steel webs is an important issue for the design of box girder bridges with trapezoidal corrugated steel webs. Eight H-shape steel girders with trapezoidal corrugated webs are firstly tested to investigate the shear behavior of webs. An extensive parametric study based on the linear elastic buckling analysis is then conducted to derive the simplified formula for calculating the elastic shear buckling strength of trapezoidal corrugated steel webs considering three different shear buckling modes. The proposed formula can give more satisfactory results for predicting the elastic shear buckling strength than some available formulae provided in the literature when compared with the numerical results. Furthermore, the nonlinear buckling analysis is conducted to intensively investigate the shear strength associated with initial geometric imperfections, and the formulae of the shear strength are proposed. Good agreements can be observed between the results calculated using the proposed prediction formula in this paper and the experimental results, and a design formula is also recommended for the routine shear design of trapezoidal corrugated steel webs.     

梯形波纹钢腹板的剪切强度

波纹腹板用于提高钢梁腹板剪切稳定性,同时避免横向加劲。研究梯形波纹钢腹板的剪切强度,总结了以往梯形钢腹板的剪切强度公式及相应理论。提出新的剪切强度公式,考虑不同剪切失效模式的相互影响。根据相关试验的试件参数,对100多个试验结果进行整理和分析。大多数试验条件都与剪切强度公式中的理论条件假定不一致。将这些公式与试验进行对比,结果表明:新公式更精确。     

矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点受剪承载力研究

在矩形钢管混凝土异形柱-钢梁节点试验研究的基础上,对节点的破坏特征及影响因素进行分析,结果表明矩形钢管混凝土异形柱-钢梁框架节点的破坏模式主要是节点域发生剪切斜压破坏,其受力机理为钢桁架、混凝土主斜压杆和约束斜压杆的综合作用。在此基础上,将节点域抗剪贡献分为三部分进行研究,包括节点域钢管腹板的抗剪贡献、节点域混凝土主斜压杆的抗剪贡献和约束斜压杆的抗剪贡献。根据试验结果和力学分析,推导了节点区柱腹板剪力计算式;由虚功原理得出节点区混凝土约束斜压杆的承载力计算式;通过对试验数据的回归分析,得到核心区混凝土主斜压杆的承载力计算式;最后提出了矩形钢管混凝土异形柱 钢梁框架节点屈服剪力和极限剪力的计算式,该计算式不仅考虑了柱轴力对节点区实际受力状态的影响,而且考虑了钢管对混凝土的约束作用。对比结果表明,采用计算式得到的结果与试验结果吻合较好。     

梯形波纹钢腹板的剪切强度

波纹腹板用于提高钢梁腹板剪切稳定性和避免横向加劲。研究梯形波纹钢腹板的剪切强度,总结了以往梯形钢腹板的剪切强度公式及相应理论。提出新的剪切强度公式,考虑不同剪切失效模式的相互影响。根据相关试验的试件参数,对100多个试验结果进行整理和分析。大多数试验条件都与剪切强度公式中的理论条件假定不一致。将这些公式计算结果与试验结果进行对比,结果表明:新公式更精确。     

钢筋混凝土浅梁受剪承载力的修正计算

在更新钢筋混凝土矩形截面简支梁受剪试验数据的基础上，分析了GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中钢筋混凝土浅梁受剪承载力计算公式存在的问题。通过对集中荷载作用下987根无腹筋梁受剪试验数据进行非线性拟合得到混凝土项，并利用103组配对试件受剪试验结果验证了45°桁架模型的合理性，进而提出了修正计算式。结果表明GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中钢筋混凝土浅梁受剪承载力计算公式的安全度偏低，而对混凝土强度取值范围的限制偏于保守。修正计算式采用统一的表达式，且考虑了纵向受拉钢筋配筋率和尺寸效应的影响。集中荷载和均布荷载作用时，修正计算式的可靠指标较接近,且都能满足GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》的基本要求。     

波折腹板梁抗剪性能研究

本文基于非线性有限元结构分析方法 ,对波折腹板梁在剪力作用下的破坏机理及基本性质进行了理论分析 ,分析中考虑了大变形与几何初始缺陷。分析结果表明波折腹板梁的抗剪极限承载力明显优于普通工字钢梁。     

预应力钢梁与波纹板的叠加效应

利用在役混凝土结构和钢结构的优点开发多种类型的组合构件,以提高结构构件的延性和适用性。混合型钢梁为类型之一,采用预应力法对该钢梁进行研究。对现有的Ⅰ形钢梁施加预应力,但是由于截面轴向刚度较大,使得预应力效果很小。另外,如果使用波纹板,由于叠加效应,加在主要抗弯构件(上、下翼缘)上的预应力会被放大,因此,这不仅对构件的适用性,而且对提高其抗弯强度都是有利的。然而,之前有关施加预应力后对波纹板钢构件的大量研究重点都放在波纹板的剪切屈曲强度上,很少涉及波纹板和梁的叠加效应。因此,本研究提出两个合理的理论模型以定量评估叠加效应,通过在波纹板钢梁中施加预应力,对2根波纹板钢梁和1根具有标准宽翼缘截面的钢梁进行了试验研究。试验结果表明,与典型板钢梁相比,波纹板钢梁的预应力效应增加得更为显著,给出的方法被证实非常简单,并与试验结果吻合较好。     

波形钢腹板PC组合箱梁在玉春桥中的应用研究

针对一座波形钢腹板PC组合箱梁桥——玉春车行天桥,对其波形钢腹板和抗剪连接键的设计与构造进行了介绍,并对波形钢腹板和抗剪连接键的受力性能进行了计算分析,计算结果表明,在正常使用极限状态下,钢板的剪应力满足规范要求,且不会在钢板剪切屈服之前发生局部屈曲、整体屈曲或合成屈曲的破坏形式;剪力连接键的抗剪承载能力满足使用要求且具有较大的安全裕度。